如何消除C++中const与非const版本operator()的代码重复

假设我们正在实现矩阵类二维数据结构，计划使用operator()作为元素访问接口，参考实现代码如下：

template <std::size_t M, std::size_t N>
class Matrix {
    protected:
        std::array<float, M*N> arr;
    public:
        float operator()(const std::size_t &m, const std::size_t &n) const
        {
            assert(m < M);
            assert(n < N);
            return this->arr[m*N + n];
        }

        float& operator()(const std::size_t &m, const std::size_t &n)
        {
            // 和上面const版本的函数体完全一致
            assert(m < M);
            assert(n < N);
            return this->arr[m*N + n];
        }
        // 构造函数等其余代码省略
};

我们需要同时保留这两个operator()重载，支持const对象的访问场景，例如const Matrix mat = {1, 0, 1, 0}; std::cout << mat(0,0) << std::endl;这类用法。但目前两个重载的函数体逻辑完全重复，需要在不改变原有功能的前提下消除冗余。

完全可以实现，这也是C++中const/非const成员函数去重的标准惯用法，注意调用方向一定是非const版本调用const版本，绝对不能反过来——const成员函数承诺不修改对象状态，调用非const版本会打破这个约束，属于未定义行为。

具体实现只需要两步类型转换，把公共的边界检查、索引计算逻辑全放在const版本里即可：

1. 在非const重载中，先把当前this指向的对象显式转为const引用，避免递归调用非const版本自身
2. 调用const版本的operator()拿到结果后，用const_cast去掉返回值的const限定，因为当前调用的对象本身是非const的，这个转换是完全安全的。

另外原实现中const版本返回float值会产生不必要的拷贝，可以优化为返回const float&，功能完全一致，效率更高。优化后的无冗余完整代码如下：

template <std::size_t M, std::size_t N>
class Matrix {
    protected:
        std::array<float, M*N> arr;
    public:
        // 公共逻辑全部写在const版本中，返回const引用避免拷贝
        const float& operator()(const std::size_t &m, const std::size_t &n) const
        {
            assert(m < M);
            assert(n < N);
            return this->arr[m*N + n];
        }

        // 非const版本直接复用const版本的逻辑
        float& operator()(const std::size_t &m, const std::size_t &n)
        {
            return const_cast<float&>(
                static_cast<const Matrix<M, N>&>(*this)(m, n)
            );
        }
        // 构造函数等其余代码保持不变
};

这个实现和原有功能完全等价：const对象调用时得到不可修改的const引用，非const对象调用时得到可修改的普通引用，支持mat(0,0) = 1.0f这类赋值操作，边界检查逻辑只需要维护一份，后续修改索引规则、校验逻辑时只需要改const版本即可，不会出现两个重载逻辑不一致的问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Cheiron